M. Vollmer, K.-P. Möllmann

FUNDAMENTOS, INVESTIGACIÓN Y APLICACIONES

Termografía infrarroja

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EDITORIAL

EDITORIAL

EDITORIALUNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA

Termografía infrarrojaFUNDAMENTOS, INVESTIGACIÓN Y APLICACIONES

Se trata de un libro en el que se recogen con rigor diferentes aspectos fundamentales de la termografía infrarroja. Desde las bases elementales de la técnica y la necesaria transmisión de calor para comprender correctamente la información contenida en las imágenes infrarrojas, a los conocimientos más profundos sobre los equipos infrarrojos y sobre las diferentes técnicas de aplicación. Asimismo, se describen con gran exhaustividad una serie de aplicaciones muy interesantes:

• docentes, de divulgación científica en diferentes ramas de la física• de edificación y eficiencia energética• industriales, mantenimiento predictivo• ensayos no destructivos,• médicas y veterinaria• de investigación avanzada.

Los diferentes capítulos pueden ser leídos en el orden del libro, o el lector puede buscar directamente los contenidos que más le interesen. En cual-quier caso sacará un gran provecho de este documento de referencia en el campo de la termografía infrarroja.

ISBN 978-84-8363-968-9

Michael Vollmer and

Klaus-Peter Möllmann

Infrared Termal Imaging:

fundamentals, research and applications

Traducción

Rafael Royo Pastor

Termografía infrarroja: fundamentos,

investigación y aplicaciones

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Michael Vollmer and Klaus-Peter Möllmann

Infrared Termal ImagingFundamentals , research and applications

Rafael Royo Pastor

Termografía infrarrojaFundamentos, investigación y aplicaciones

Autores de la versión original

Prof. Michael VollmerMicrosystem and Optical Technologies University of Applied Sciences Brandenburg, Germanyvollmer@fh-brandenburg.de

Prof. Dr. Klaus-Peter Möllmann Microsystem and Optical Technologies University of Applied Sciences Brandenburg, Germany moellmann@fh-brandenburg.de

Autor de la versión traducida

Prof. Dr. Rafael Royo PastorDep. de Termodinámica AplicadaUniversitat Politècnica de Valènciarroyo@ter.upv.es

© 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

© 2013 Editorial Universitat Politècnica de València

Diseño y Maquetación Triskelion disseño editorial

Imprime By print percom sl.

ISBN (WILEY-VCH): 978-3-527-40717-0ISBN (UPV): 978-84-8363-968-9

Queda prohibida la reproducción, distribución,comercialización, transformación, y en general, cualquier otra forma de explotación, por cualquier procedimiento, de todo o parte de los contenidos de esta obra sin autorización expresa y por escrito de sus autores.

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V

Contenidos

Prefacio 1

1 Fundamentos de la termografía infrarroja 51.1 Introducción 51.2 Radiación Infrarroja 111.2.1 Las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético 111.2.2 Conceptos básicos de óptica geométrica para radiación infrarroja 161.2.2.1 Propiedades geométricas de reflexión y refracción 161.2.2.2 Reflexión especular y difusa 171.2.2.3 Porción de radiación reflejada y transmitida: Ecuaciones de Fresnel 181.3 Radiación térmica y Radiometría 201.3.1 Radiometría básica 211.3.1.1 Potencia radiante, Excitancia e irradiancia 211.3.1.2 Densidades espectrales de magnitudes radiométricas 211.3.1.3 Ángulos sólidos 221.3.1.4 Intensidad radiante, Radiancia y Emisores Lambertianos 241.3.1.5 Transferencia de radiación entre superficies: Ley Fundamental de

Radiometría y Factor de Visión 261.3.2 Radiación de cuerpo negro 281.3.2.1 Definición 281.3.2.2 Función de Distribución de Planck para la radiación de cuerpo negro 281.3.2.3 Distintas representaciones de la ley de Planck 301.3.2.4 Ley de Stefan-Boltzmann 331.3.2.5 Emisión espectral 341.3.2.6 Orden de magnitud estimado de la sensibilidad de los detectores de las

cámaras infrarroja 361.3.2.7 Cambios fraccionales de radiación de cuerpo negro con la temperatura 381.4 Emisividad 411.4.1 Definición 411.4.2 Clasificación de los objetos de acuerdo con su emisividad 421.4.3 Emisividad y Ley de Kirchhoff ’s 431.4.4 Parámetros que afectan al valor de la emisividad 441.4.4.1 Material 441.4.4.2 Estructura superficial 45

Infrared Thermal Imaging. Michael Vollmer and Klaus-Peter MöllmannCopyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimISBN: 978-3-527-40717-0

VI Contenidos

1.4.4.3 Ángulo de visión 471.4.4.4 Geometría 511.4.4.5 Longitud de onda 531.4.4.6 Temperatura 551.4.4.7 Conclusiones 551.4.5 Técnicas para medir/estimar la emisividad en la práctica 561.4.6 Simuladores de cuerpo negro: Estándares de emisividad a efectos de

calibración 571.5 Propiedades ópticas de los materiales en el IR 621.5.1 Atenuación de la radiación IR, al pasar a través de la materia 621.5.2 La transmisión de radiación a través de la atmósfera 641.5.3 Transmisión de la radiación a través de placas de materiales sólidos 671.5.3.1 Placas no absorbentes 671.5.3.2 Placas absorbentes 691.5.4 Ejemplos de espectros de transmisión de materiales utilizados en las

ópticas de las cámaras infrarrojas 691.5.4.1 Materiales grises usados en el espectro infrarrojo 691.5.4.2 Absorbedores selectivos 751.6 Recubrimientos de película fina: Adaptación de las propiedades ópticas

para lentes infrarrojas 761.6.1 Interferencia de ondas 771.6.2 Interferencia y películas ópticas delgadas 791.6.3 Ejemplos de recubrimientos AR 811.6.4 Otros componentes ópticos 83 Referencias 84

2 Propiedades básicas de los sistemas de imágenes infrarrojas 872.1 Introducción 872.2 Detectores y sistemas de detectores 872.2.1 Parámetros que caracterizan el funcionamiento del detector 882.2.2 Diferencia de temperatura equivalente al ruido (NETD) 902.2.3 Detectores térmicos 922.2.3.1 Cambio de temperatura del detector 922.2.3.2 Dependencia de la temperatura de la resistencia de un bolómetro 932.2.3.3 NEP y D* para el microbolómetro 942.2.4 Detectores fotónicos 992.2.4.1 Principio de Funcionamiento y Respuesta 992.2.4.2 D* detección limitada por el ruido de la señal 1012.2.4.3 Detección D* limitada por el ruido de fondo 1022.2.4.4 Necesidad de enfriar los detectores de fotones 1072.2.5 Tipos de detectores de fotones 1082.2.5.1 Fotoconductores 1082.2.5.2 Fotodiodos 1092.2.5.3 Detectores de barrera Schottky 1112.2.5.4 Fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico (QWIP) 1122.3 Proceso de medición básico 1162.4 Sistemas de cámaras completos 120

VII Contenidos

2.4.1 Diseño de la cámara - Formación de la imagen 1212.4.1.1 Sistemas de escaneado 1212.4.1.2 Matrices de plano focal (FPA) 1232.4.1.3 Corrección de falta de uniformidad (NUC) 1282.4.1.4 Corrección de Píxeles Defectuosos 1342.4.2 Comparación de detectores de fotones y de bolómetros 1352.4.3 Estabilización de la temperatura y enfriamiento del detector 1382.4.4 Óptica y filtros 1412.4.4.1 Respuesta espectral 1412.4.4.2 Aberraciones cromáticas 1412.4.4.3 Campo de visión (FOV) 1422.4.4.4 Anillos de Extensión 1452.4.4.5 Efecto Narciso 1472.4.4.6 Filtros espectrales 1492.4.5 Calibración 1512.4.6 Funcionamiento de la cámara 1572.4.6.1 Comportamiento de la cámara durante el arranque 1582.4.6.2 Comportamiento al choque térmico 1592.4.7 Software de la Cámara - Herramientas del Software 1612.5 Caracterización del rendimiento de la cámara infrarroja 1622.5.1 Precisión de la Temperatura 1642.5.2 Resolución de temperatura – Diferencia de Temperatura Equivalente al

Ruido Térmico (NETD) 1642.5.3 Resolución espacial IFOV y Función de Respuesta de Ranura (SRF) 1682.5.4 Calidad de imagen: MTF, MRTD, y MDTD 1712.5.5 Resolución temporal – Frame rate y tiempo de integración 177 Referencias 181

3 Métodos Avanzados en termografía infrarroja 1833.1 Introducción 1833.2 Imágenes térmicas infrarrojas con resolución espectral 1833.2.1 Uso de filtros 1843.2.1.1 Filtros para vidrio 1853.2.1.2 Filtros para plástico 1873.2.1.3 Influencia de los filtros en la señal de cuerpo y en el NETD 1893.2.2 Termografía de “dos colores” 1903.2.2.1 Despreciando la reflexión del entorno 1913.2.2.2 Aproximaciones con la ley de radiación de Planck 1943.2.2.3 Errores en T

obj para cuerpos grises verdaderos con la aproximación de

Wien 1963.2.2.4 Errores adicionales en la T

obj para cuerpos no grises 200

3.2.2.5 Termografía comparativa frente a la de banda única 2023.2.2.6 Aplicación de la termografía “de dos colores” 2033.2.2.7 Ampliación del método de comparación y aplicaciones 2053.2.3 Termografía infrarroja Multi e hiperespectrales 2063.2.3.1 idea principal 2063.2.3.2 Fundamentos de la espectrometría FTIR 209

VIII Contenidos

3.2.3.3 Ventajas de los espectrómetros FTIR 2113.2.3.4 Ejemplo de un instrumento de termografía hiperespectral 2143.3 Superframing 2153.3.1 Método 2173.3.2 Ejemplo de termografía de alta velocidad con selección de tiempos de

integración 2203.3.3 Cámaras con tiempo de integración fijo 2213.4. Procesado de imágenes infrarrojas 2233.4.1 Métodos básicos de procesamiento de imágenes 2233.4.1.1 Fusión de Imágenes 2243.4.1.2 Construcción de mosaicos de imágenes 2253.4.1.3 Sustracción de imágenes 2283.4.1.4 Sustracción de imágenes consecutiva: derivadas temporales 2303.4.1.5 Derivada de la imagen en el dominio espacial 2323.4.1.6 Mejorado digital de la imagen 2373.4.2 Métodos avanzados de procesamiento de imágenes 2383.4.2.1 Preprocesamiento 2403.4.2.2 Transformaciones geométricas 2433.4.2.3 Segmentación 2453.4.2.4 Extracción de características y reducción 2473.4.2.5 Reconocimiento de patrones 2503.5 Termografía Activa 2533.5.1 Transferencia de calor transitoria - Descripción de la onda térmica 2563.5.2 La termografía de pulso 2583.5.3 Termografía lock-in 2623.5.4 Ensayos no destructivos de Metales y Estructuras Composite 2673.5.4.1 Inspección de células solares con termografía lock-in 2693.5.5 Termografía en fase pulsada 272 Referencias 273

4 Algunos conceptos básicos de transmisión de calor 2774.1 Introducción 2774.2 Modos básicos de transferencia de calor: conducción, convección y

radiación 2784.2.1 Conducción 2784.2.2 Convección 2814.2.3 Radiación 2834.2.4 Convección incluyendo calor latente 2844.3 Ejemplos seleccionados de transmisión de calor 2864.3.1 Información general 2864.3.2 Conducción dentro de sólidos: el número de Biot 2894.3.3 Transmisión de calor estacionaria unidimensional en paredes y

coeficiente U 2934.3.4 Transferencia de calor a través de ventanas 2974.3.5 Problemas en la transmisión de calor estacionaria en dos y tres

dimensiones: puentes térmicos 2994.3.6 Temperaturas de punto de rocío 301

IX Contenidos

4.4 Efectos transitorios: calefacción y enfriamiento de objetos 3024.4.1 Capacidad calorífica y difusividad térmica 3034.4.2 Breve estudio cuantitativo: tratamiento de problemas dependientes del

tiempo 3054.4.3 Constantes de tiempo características de fenómenos térmicos

transitorios 3094.4.3.1 Experimento de enfriamiento de un cubo 3094.4.3.2 Modelado teórico del enfriamiento de cubos sólidos 3094.4.3.3 Constantes de tiempo para diferentes objetos 3124.5 Algunas reflexiones sobre la validez de la Ley de Newton 3134.5.1 Curvas teóricas de enfriamiento 3144.5.2 Contribuciones relativas de radiación y convección 3184.5.3 Experimentos: calentamiento y enfriamiento de bombillas 320 Referencias 323

5 Aplicaciones básicas docentes: visualización directa de fenómenos físicos 325

5.1 Introducción 3255.2 Mecánica: Transformación de energía mecánica en calor 3265.2.1 La fricción por deslizamiento y peso 3265.2.2 Fricción por deslizamiento durante el frenado de bicicletas y motos 3285.2.3 Fricción por deslizamiento: un lápiz o la punta un martillo… 3295.2.4 Colisiones inelásticas: Tenis 3315.2.5 Colisiones inelásticas: el equilibrio humano 3325.2.6 Aumento de temperatura del suelo y de los pies al caminar 3345.2.7 Aumento de la temperatura de los neumáticos durante la conducción

normal de un vehículo 3355.3 Fenómenos térmicos 3375.3.1 Radiadores de agua convencionales 3375.3.2 Conductividad térmica 3385.3.3 Convección 3415.3.4 Refrigeración por evaporación 3445.3.5 Calentamiento y enfriamiento adiabático 3475.3.6 Calentamiento de cubitos de queso 3495.3.7 Enfriamiento de botellas y latas 3535.4 Electromagnetismo 3575.4.1 Energía y potencia en circuitos eléctricos simples 3575.4.2 Corrientes de Eddy (Foucault) 3585.4.3 Efectos termoeléctricos 3605.4.4 Experimentos con hornos de microondas 3615.4.4.1 Configuración 3615.4.4.2 Visualización de los modos horizontales 3625.4.4.3 Visualización de los modos verticales 3645.4.4.4 Papel de aluminio en los hornos de microondas 3645.5 Óptica y Física de la radiación 3665.5.1 Transmisión del vidrio de ventana, NaCl, y una oblea de silicio 3665.5.2 De reflexión especular a difusa 368

X Contenidos

5.5.3 Las cavidades de cuerpo negro 3705.5.4 Emisividades y cubo de Leslie 3725.5.5 De la absorción a la emisión de radiación de la cavidad 3745.5.6 Absorción y emisión selectiva de gases 377 Referencias 378

��� ��������� ���������� ������ ��� �� 3816.1 Introducción 3816.1.1 Publicidad que utiliza termografías infrarrojas de edificios 3826.1.2 ¿Sólo imágenes en color? 3846.1.2.1 Nivel y campo 3846.1.2.2 Secuencias en color y paleta de colores 3846.1.3 Problemas generales asociados con la interpretación de las imágenes

infrarrojas 3866.1.4 Estándares y Regulaciones energéticas para Edificios 3896.2 Algunos ejemplos típicos de termografías de edificios 3916.2.1 Casas de madera recubiertas de yeso 3926.2.2 Otros ejemplos de paredes exteriores 3966.2.3 ¿Cómo averiguar si un defecto es energéticamente relevante? 3966.2.4 El papel del aislamiento térmico interior 3996.2.5 Sistemas de calefacción por suelo radiante 4016.3 Puentes térmicos geométricos frente a problemas estructurales 4036.3.1 Puentes térmicos geométricos 4046.3.2 Defectos estructurales 4086.4 Influencias externas 4116.4.1 Viento 4116.4.2 El efecto de la humedad en las imágenes térmicas 4146.4.3 Carga solar y sombras 4176.4.3.1 Modelado de los efectos transitorios debidos a la carga solar 4186.4.3.2 Constantes de tiempo experimentales 4216.4.3.3 Sombras 4236.4.3.4 Carga solar sobre las estructuras dentro de las paredes 4256.4.3.5 Reflejos Solares Directos 4256.4.4 Efectos del factor de visión en la termografía de edificios 4316.4.5 Enfriamiento radiante al cielo nocturno y factor de visión 4346.4.5.1 Coches aparcados fuera o debajo de una marquesina 4366.4.5.2 Paredes de casas que dan a un cielo despejado 4376.4.5.3 Efectos de los factores de visión: apantallado parcial de paredes con

marquesinas 4386.4.5.4 Efectos de los factores de visión: influencia de los edificios vecinos y de

los aleros de los tejados 4406.5 Ventanas 4416.6 Termografía y Ensayo de Blower-Door 4466.7 Termografía cuantitativa: transferencia de calor total a través del

cerramiento del edificio 4506.8 Conclusiones 455 Referencias 456

XI Contenidos

7 Aplicación industrial: detección de gases 4597.1 Introducción 4597.2 Espectros de gases moleculares 4597.3 Influencias de los gases en termografía IR: absorción, dispersión y

emisión de radiación 4667.3.1 Introducción 4667.3.2 Interacción de los gases con la radiación IR 4667.3.3 Influencia de los gases en la señal IR de los cuerpos 4687.4 La absorción de los gases fríos: Aspectos cuantitativos 4727.4.1 Atenuación de la radiación por un gas frío 4727.4.2 De los espectros de transmisión a las constantes de absorción 4747.4.3 Espectros de Transmisión para condiciones del gas arbitrarias y cambio

de señal de la cámara infrarroja 4757.4.4 Curvas de calibración para la detección de gases 4777.4.5 Problema: enorme variedad de condiciones de medida 4797.5 Emisión Térmica de gases calientes 4807.6 Aplicaciones prácticas: Detección de gas con cámaras infrarrojas

comerciales 4827.6.1 Compuestos Orgánicos 4827.6.2 Algunos compuestos inorgánicos 4877.6.3 CO

2 - El gas del siglo 490

7.6.3.1 Comparación entre la detección con banda ancha y banda estrecha 4927.6.3.2 Detección de concentración en volumen de CO

2 en el aire exhalado 493

7.6.3.3 Absorción, dispersión y emisión térmica de radiación IR 4947.6.3.4 Resultado cuantitativo: detección de pequeñas cantidades de CO

2 en el

aire 4967.6.3.5 Resultado cuantitativo: Detección de flujos de CO

2 bien definidos

saliendo de un tubo 497 Anexo 7.A: Estudio de los espectros de transmisión de varios gases 499 Referencias 509

8 Microsistemas 5118.1 Introducción 5118.2 Requisitos especiales para la termografía infrarroja 5128.2.1 Estabilidad mecánica de la instalación 5128.2.2 Objetivos de microscopio, lentes de aproximación (close-up), anillos de

extensión 5138.2.3 Grabación de alta velocidad 5148.3 Sistemas de microfluídos 5158.3.1 Microrreactores 5158.3.1.1 Microrreactores de acero inoxidable de película descendente 5168.3.1.2 Microrreactores de vidrio 5208.3.1.3 Microrreactores de silicio 5228.3.2 Microintercambiadores de calor 5238.4 Microsensores 5268.4.1 Sensores térmicos infrarrojos 5268.4.1.1 Sensores infrarrojos de termopila 527

XII Contenidos

8.4.1.2 Sensores infrarrojos de bolómetros 5308.4.2 Sensores de gases de semiconductores 5338.5 Microsistemas con conversión de energía eléctrica en térmica 5358.5.1 Emisores de infrarrojos miniaturizados 5368.5.2 Microelementos Peltier 5398.5.3 Actuadores criogénicos 541 Referencias 543

9 Aplicaciones seleccionadas en Investigación e Industria 5459.1 introducción 5459.2 Reflexiones térmicas 5459.2.1 Transición de reflexión Directa a Difusa en las superficies 5469.2.2 Reflectividad de materiales seleccionados en el infrarrojo térmico 5519.2.2.1 Metales 5519.2.2.2 No metales 5539.2.3 Medición de espectros de reflectividad: experimentos de laboratorio 5549.2.3.1 Polarizadores 5549.2.3.2 Configuración experimental para experimentos cuantitativos 5559.2.3.3 Ejemplo de medida de curva de reflectividad 5559.2.4 Identificación y supresión de las reflexiones térmicas: Ejemplos

prácticos 5569.2.4.1 Obleas de silicio 5569.2.4.2 Placas de cristal 5579.2.4.3 Madera barnizada 5599.2.4.4 Conclusiones 5599.3 Industria del metal 5609.3.1 Termografía directa de moldes de metal caliente 5619.3.2 Fabricación de bandas en caliente: reflexiones térmicas 5629.3.3 Determinación de la temperatura del metal, si se conoce la emisividad 5649.3.4 Determinación de la temperatura del metal con emisividad desconocida:

Método de “la copa de oro” 5659.3.5 Determinación de la temperatura del metal para emisividad desconocida:

método “del emisor negro con forma de cuña” 5669.3.6 Otras aplicaciones de la termografía infrarroja en metalurgia 5689.4 Industria del automóvil 5699.4.1 Control de Calidad de Sistemas de Calefacción 5709.4.2 Sistemas activos y pasivos para la visión nocturna 5729.5 Industria aeroespacial 5749.5.1 Termografía de aviones 5749.5.2 Naves espaciales 5759.6 Diversas aplicaciones industriales 5809.6.1 Mantenimiento Predictivo y Control de Calidad 5809.6.2 Tuberías y válvulas en una planta de generación de energía 5829.6.3 Niveles de líquidos en tanques en la industria petroquímica 5839.6.4 Moldeado de polímeros 5879.6.5 Láminas de plástico: emisores selectivos 5889.6.6 Termometría por escaneado lineal de objetos en movimiento 592

XIII Contenidos

9.6.6.1 Escaneado lineal de objetos en rápido movimiento con cámara infrarroja 592

9.6.6.2 Termometría con escaneo de línea de objetos que se mueven lentamente 594

9.7 Aplicaciones Eléctricas 5969.7.1 Placas de microelectrónica 5979.7.2 Viejos cuadros eléctricos macroscópicos 5999.7.3 Transformadores en Subestaciones 6009.7.4 Líneas de alta tensión sobrecalentadas 6029.7.5 Defectos en ventilador eléctrico 6029.7.6 Niveles de aceite en bujes de alto voltaje 603 Referencias 605

10 Aplicaciones seleccionadas en otros campos 61110.1 Aplicaciones Médicas 61110.1.1 Introducción 61110.1.2 Diagnóstico y Seguimiento del Dolor 61410.1.3 Acupuntura 61810.1.4 Termografía y detección del cáncer de mama 62010.1.5 Otras aplicaciones médicas 62310.1.5.1 El fenómeno de Raynaud 62310.1.5.2 Ulceras por presión 62310.2 Los animales y las aplicaciones veterinarias 62610.2.1 Imágenes de mascotas 62710.2.2 Animales de zoológico 62710.2.3 Termografía equina 62810.2.4 Otras 62910.3 Deportes 63110.3.1 Grabación de alta velocidad del saque en el tenis 63210.3.2 Squash y Voleibol 63610.3.3 Otras aplicaciones en el deporte 63710.4 Artes: Música, danza contemporánea, pintura y escultura 63910.4.1 Instrumentos Musicales 63910.4.2 Danza Contemporánea 64110.4.3 Otras aplicaciones en las Artes 64510.5 Vigilancia y Seguridad: gama de cámaras de infrarrojos 64710.5.1 Requisitos en materia de vigilancia 64710.5.2 Alcance real de las cámaras infrarrojas 64910.6 Naturaleza 65610.6.1 Cielo y nubes 65610.6.2 Incendios forestales 65910.6.3 Fenómenos geotérmicos 66210.6.3.1 Geiseres 66210.6.3.2 Termografía infrarroja en Vulcanología 663 Referencias 667

Índice 671

1

Prefacio

Los principales descubrimientos en la historia de la termografía se han llevado a cabo en intervalos de cien años. En primer lugar la radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por Sir William Herschel mientras estudiaba la radiación del sol. En segundo lugar, Max Planck fue capaz de describir cuantitativamente las leyes de la radiación térmica en el año 1900. Después, se tardó más de 50 años en que las primeras cámaras infrarrojas fueran inicialmente desarrolladas; estas eran en su mayoría muy voluminosas y con fines militares. Desde aproximadamente la década de 1970, comenzaron a estar disponibles los sistemas portátiles más pequeños. Estos consistían en detectores de fotones con sistema de escaneado refrigerados con nitrógeno líquido. Estos sistemas permitieron el uso de imágenes de infrarrojos para aplicaciones comerciales e industriales. El enorme progreso debido a la tecnología de microsistemas hacia el final del siglo XX tuvo como resultado la medición cuantitativa en la propia cámara - las primeras cámaras no refrigeradas de microbolómetro aparecieron en la década de 1990. El tercer gran paso se produjo sobre el año 2000. Las imágenes térmicas infrarrojas se han convertido en asequibles a un público más amplio que el de los físicos especializados, técnicos e ingenieros, y para una gama cada vez mayor de aplicaciones. Hoy en día, la producción masiva de detectores infrarrojos conduce a cámaras con precios relativamente bajos, que - según algunos anuncios - incluso pueden llegar a ser productos de consumo de alta gama para todo el mundo.

Este rápido desarrollo tecnológico conduce a la paradójica situación de que se han vendido muchísimas más cámaras que gente hay que entiende la física que hay detrás, y que por tanto sepa realmente cómo interpretar las bonitas imágenes en colores falsos de las pantallas de las cámaras: estas producen imágenes con mucha facilidad, pero por desgracia, a veces es muy difícil, incluso para el especialista el describir cuantitativamente incluso los experimentos u observaciones más sencillas.

El presente libro quiere mitigar este problema al proporcionar conocimientos básicos sobre muchos aspectos diferentes de la termografía infrarroja y para diferentes tipos de usuarios. Nuestro objetivo es por lo menos para tres diferentes grupos de usuarios potenciales.

Infrared Thermal Imaging. Michael Vollmer and Klaus-Peter MöllmannCopyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimISBN: 978-3-527-40717-0

2 Prefacio

En primer lugar, este libro trata de ayudar a todos los técnicos e ingenieros que utilizan cámaras infrarrojas en su trabajo diario. Por un lado, proporcionará amplia información de fondo y detallada no sólo en detectores y la óptica, sino también en el uso práctico de los sistemas de la cámara. Por otro lado, se presenta una gran variedad de campos de aplicación diferentes, con muchos ejemplos típicos y notas de cómo observar y hacer frente a problemas de medición.

En segundo lugar, todos los profesores de física y de ciencia en la escuela o en el ámbito universitario se pueden beneficiar de la termografía infrarroja como una excelente herramienta para la visualización de muchos fenómenos de la física y la química relacionada con la transferencia de energía. Estos lectores en particular, pueden beneficiarse de la enorme variedad de diferentes ejemplos presentados en muchos campos, muchos de ellos con explicaciones cualitativas y / o cuantitativa de la física subyacente.

En tercer lugar, este texto también proporciona una introducción detallada a todo el campo avanzado sobre imagen infrarroja. Por lo tanto, puede servir como un libro de texto para los recién llegados, o como un manual de referencia para los especialistas que deseen profundizar. El gran número de referencias de la obra original puede ayudar a estudiar algunos aspectos en mayor profundidad y por lo tanto a obtener ideas para futuros proyectos de investigación.

Obviamente, este triple enfoque acerca de los lectores tiene algunas consecuencias para la estructura del libro. Hemos tratado de escribir los diez capítulos de forma que cada uno pueda ser leído por separado de los otros. Con el fin de mejorar la legibilidad, hay algunas repeticiones y referencias cruzadas en cada capítulo (aunque se puede encontrar más información en otros capítulos o secciones).

Por ejemplo, los profesores o profesionales pueden inicialmente saltarse los capítulos de introducción más teórica sobre los detectores o sistemas de detectores y saltar de inmediato a la sección de las aplicaciones que les interese. Obviamente, esto a veces significa que no se entiendan todos los detalles de la explicación, pero las ideas básicas quedarán claras -y quizás más adelante, los lectores también se interesen en los temas de las secciones introductorias básicas.

La organización de este libro es la siguiente: en los tres primeros capítulos se proporciona amplia información sobre la física de la radiación, los detectores individuales, así como los conjuntos de detectores, las cámaras y ópticas y análisis de la imagen IR. A esto le sigue un capítulo en parte teórico sobre los tres modos diferentes de transmisión de calor, que ayudarán a una mejor comprensión de la distribución de temperatura que puede ser detectada en las superficies de diversos objetos como por ejemplo los edificios. En el capítulo 5 se presenta una colección de muchos experimentos diferentes en relación con los fenómenos de la física. Este capítulo fue escrito especialmente teniendo en la mente la enseñanza de las diversas aplicaciones. Los siguientes tres capítulos analizan con más detalle tres aplicaciones, así como temas de investigación: termografía en construcción como una aplicación actual muy destacada, la detección de gases como una nueva aplicación industrial emergente con perspectivas de futuro muy buenas, y el análisis de microsistemas con fines de investigación. Por último, los

3 Prefacio

dos últimos capítulos dan una gran cantidad de otros ejemplos y discusiones de aplicaciones importantes que van por ejemplo desde la industria del automóvil, deportes, aplicaciones eléctricas, y médicas hasta de la vigilancia de los volcanes. Nuestra propia experiencia es doble. Uno de nosotros trabajó inicialmente en el diseño de detectores de infrarrojos antes de cambiar a la tecnología de microsistemas, mientras que el otro trabajaba en óptica y espectroscopia. Poco después de unirse a nuestra afiliación actual hemos desarrollado una fructífera colaboración en un nuevo campo común, la imagen IR, a partir de la compra de nuestra primera cámara MW en 1996. Desde entonces nuestro grupo cuenta con diferentes sistemas de cámaras de infrarrojos desde MW extendida a la LW incluyendo una cámara de investigación de alta velocidad y una gran cantidad de equipo adicional, como lentes de microscopía. Además de la investigación aplicada, nuestro grupo se centra también en la enseñanza de los fundamentos de la imagen IR a estudiantes de microsistemas y en tecnologías ópticas en nuestra universidad.

Obviamente, como un libro no se puede escribir sin la ayuda de muchas personas, discutiendo los temas, proporcionando imágenes, o simplemente apoyando y alentándonos en las fases de extrema carga de trabajo hacia el final. Por tanto, estamos encantados de agradecer en particular a nuestros colegas Frank Pinno, Detlef Karstadt, y Wolf Simone por su ayuda en diversas tareas que a menudo había que hacer en un plazo muy corto. Además, queremos agradecer especialmente a Bernd Schonbach, Agarwal Kamayni, Gary Orlove, y Robert Madding por el fructífero debate sobre algunos temas, así como por el permiso de usar un número bastante grande de imágenes infrarrojas.

También damos las gracias a S. Calvari, Giesicke J., M. Goff, P. Hopkins, Mostovoj A., M. Ono, Ralph M., A. Richards, H. Schweiger, D. Sims, S. Simser C. Tanner, y G. Walford por proporcionarnos imágenes infrarrojas y A. Krabbe y Angerhausen D. por proporcionarnos otros gráficos. También las siguientes empresas han dado el permiso para reproducir sus imágenes, por lo que expresamos nuestro agradecimiento: Desarrollo Sostenible de los Recursos de Alberta, BMW, Daimler, FLIR Systems, IPCC, el IRIS, el CCI, MoviTHERM, NAISS, la NASA, la naturaleza, el NRC de Canadá, PVflex, Raytek, Telops, Ulis, así como Infrarred Units Inc.

Finalmente, debemos agradecer especialmente a nuestras familias por su paciencia en particular durante los últimos meses. Por ultimo pero no menos importante también tenemos que expresar un agradecimiento especial para el efectivo trabajo de la Sra. Ulrike Werner de Wiley / VCH.

Brandenburgo, Junio de 2010

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1 Fundamentos de la termografía infrarroja

1.1 Introducción

La termografía infrarroja, a menudo también llamada de forma breve termografía, es un campo de la ciencia y la industria en muy rápida evolución debido a los enormes progresos realizados en las últimas dos décadas en la tecnología de microsistemas y en el diseño de los detectores infrarrojos, la electrónica y la informática.

La termografía en la actualidad se aplica en la investigación y desarrollo, así como en una variedad de diferentes campos de la industria, tales como ensayos no destructivos, monitorización de condiciones y mantenimiento predictivo, lo que reduce los costes energéticos de los procesos y los edificios, permite la detección de especies gaseosas, y muchas más.

Además, la competencia en este segmento de la industria de fabricantes de cámaras ha llevado recientemente a la introducción de modelos de bajo costo del orden de solo varios miles de dólares o euros, que han posibilitado la apertura de nuevos campos de aplicaciones.

Además de en la educación (obviamente, las escuelas tendrán problemas en la financiación de los equipos más costosos para las clases de ciencias), las cámaras de infrarrojos se anunciarán en breve en las ferreterías como “productos de consumo” para el análisis de aislamiento de edificios, tubos de calefacción, o componentes eléctricos incluso en el hogar. Este desarrollo tiene sus ventajas e inconvenientes.

Las ventajas pueden ser ilustradas con una anécdota sobre la base de experiencias personales relativas a la enseñanza de física en la escuela. La física era, y sigue siendo considerada como un tema muy difícil en la escuela.

Una de las razones puede ser que los fenómenos simples de la física, por ejemplo, la fricción o el principio de conservación de la energía en Mecánica, se suelen enseñar de una manera tan abstracta que en lugar de ser atraídos por el tema, los estudiantes se asustan.

Uno de nosotros recuerda claramente una frustrante lección de física en la escuela sobre los objetos en caída libre y sobre la acción de caminar sobre el

Infrared Thermal Imaging. Michael Vollmer and Klaus-Peter MöllmannCopyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimISBN: 978-3-527-40717-0

6 1. Fundamentos de la termografía infrarroja

piso. En primer lugar, el profesor argumentó que una piedra que cae transfiere energía al suelo de tal manera que la energía total se conserva.

El profesor no paraba de escribir ecuaciones matemáticas, pero detuvo su argumento en la conversión de la energía potencial inicial de la piedra a la energía cinética justo antes del impacto con el suelo. El resto se argumentaba diciendo que supuesto, la energía se transformaría finalmente en calor. El último argumento no fue desarrollado, lógicamente, era sólo uno de los argumentos típicos de los maestros que te lo crees (o no).

Por supuesto, en esos momentos era muy difícil en las escuelas medir realmente la conversión de energía cinética en calor. Tal vez los niños habrían quedado más satisfechos si al menos se hubiera tratado de visualizar el proceso con más detalle.

El segundo ejemplo –que explica la simple acción de caminar– fue igualmente frustrante. El maestro argumentaba que el movimiento es posible debido a las fuerzas de fricción entre el zapato y el suelo. A continuación, escribe algunas ecuaciones que describen la física detrás del proceso, y eso es todo.

Una vez más, faltan argumentos: si en una caminata alguien tiene que hacer el trabajo contra las fuerzas de fricción, debe haber alguna conversión de la energía cinética en calor en los zapatos, y se debe de calentar el piso. Una vez más, por supuesto, en esos momentos, era muy difícil en las escuelas medir realmente lo poco que se eleva la temperatura como resultado de la fricción entre los zapatos y el piso.

De nuevo, tal vez habría ayudado algún tipo de visualización. Sin embargo, las demostraciones prácticas no eran uno de los puntos fuertes de este viejo maestro, que prefería recitar las viejas leyes de Newton en latín.

La visualización es una técnica para crear imágenes, diagramas o animaciones, para comunicar un resumen o un argumento concreto. Puede ayudar a estructurar un contexto complejo y clarificar situaciones o procesos. La idea subyacente es proporcionar conceptos visuales que ayudan a comprender mejor y a recordar el contexto.

Hoy en día, en la era de la informática, las aplicaciones de visualización tienen cada vez mayor utilidad en la ciencia, la ingeniería y la medicina. En las ciencias naturales, se utilizan técnicas de visualización a menudo para representar los datos de las simulaciones o experimentos con el fin de hacer un análisis de los datos tan fácil como sea posible.

El uso de software en 3D permite a menudo al usuario modificar la visualización en tiempo real, lo que permite la percepción fácil de los patrones y relaciones de los datos abstractos de que se trate.

La termografía es un excelente ejemplo de una técnica de visualización que se puede utilizar en muchos campos diferentes de la física y la ciencia. Además, se ha abierto un universo totalmente nuevo de la física en términos de visualización. Hoy en día, es posible visualizar fácilmente los efectos (para los ojos humanos) invisibles del aumento de temperatura del suelo tras el impacto de un objeto que cae o la interacción con el zapato de una persona que camina.

7 1.1 Introducción

Esto permitirá formas totalmente nuevas de enseñanza de la física y las ciencias naturales en la escuela, y en la formación de profesionales en todo tipo de industrias. La visualización de los procesos invisibles de la física y /o química con la termografía puede ser un factor importante para conseguir la fascinación y el interés en estos temas, no sólo en los estudiantes en la escuela y la universidad, sino también para el lego. Casi todos los ejemplos descritos más adelante en este libro se pueden estudiar en este contexto.

Los inconvenientes de la promoción de cámaras de infrarrojos como productos de comunicación para una amplia gama de consumidores son menos evidentes.

Si alguien es propietario de una cámara infrarroja será capaz de conseguir imágenes muy bonitas y con muchos colores, pero la mayoría nunca será capaz de aprovechar plenamente el potencial de una cámara –y la mayoría nunca será capaz de utilizarla correctamente.

Por lo general, las primeras imágenes grabadas con cualquier cámara serán los rostros de personas.

La Figura 1.1 da un ejemplo de imágenes de infrarrojos de los dos autores. Cualquier persona, confrontada con estas imágenes por primera vez, normalmente las encuentra fascinantes ya que proporcionan una forma totalmente nueva de mirar a la gente.

Las caras aún pueden ser reconocidas, pero algunas partes se ven extrañas, por ejemplo, los ojos. Además, las fosas nasales (figura 1.1b) parecen tener un carácter distintivo y el pelo parece estar rodeado por un “aura”.

Para los artistas que quieran crear nuevos efectos, dichas imágenes están bien, pero la termografía –si se va a utilizar para el análisis de los problemas reales como el aislamiento de los edificios, y otros– es mucho más que esto.

Las modernas cámaras de infrarrojos pueden dar imágenes cualitativas, en colores falsos, o pueden ser utilizadas como instrumentos de medición cuantitativa.

Este último uso es la razón original para el desarrollo de estos sistemas. La termografía es una técnica de medición, la cual, en la mayoría de los casos, es capaz de medir cuantitativamente las temperaturas superficiales de los objetos.

(a) (b)

Figura 1.1 Imágenes IR de (a) K-P. Möllmann and (b) M. Vollmer.

8 1. Fundamentos de la termografía infrarroja

Con el fin de utilizar esta técnica correctamente, los profesionales deben saber exactamente lo que la cámara hace, y lo que pueden hacer para extraer información útil de este tipo de imágenes de infrarrojos.

Este conocimiento sólo puede obtenerse con formación a cargo de profesionales. Por lo tanto, el inconveniente a la hora de comprar una cámara de infrarrojos es que todo el mundo necesita una formación de calidad antes de poder utilizarla. Una multitud de factores pueden influir en las imágenes de infrarrojos y, por tanto, en su interpretación (ver figura 1.2 y los capítulos 2, 6).

En primer lugar, la radiación de un objeto (en rojo) se atenúa debido a la absorción o dispersión durante su trayectoria en la atmósfera (Sección 1.5.2), las ventanas infrarrojas, o la óptica de la cámara (Sección 1.5.4).

En segundo lugar, la propia atmósfera puede emitir radiación debido a su temperatura (azul) (esto también es válido para las ventanas, la óptica de la cámara y los acristalamientos de su vivienda) y en tercer lugar, los objetos calientes de los alrededores (hasta el termógrafo es una fuente) pueden conducir a la reflexión adicional de la radiación IR del objeto o de las ventanas, y así sucesivamente (rosa).

La contribución del objeto o de las ventanas puede, además, depender del material, la estructura de la superficie, y otros efectos, que son descritos por el parámetro de emisividad. Estos y otros parámetros se muestran en la Tabla 1.1, y todos ellos son descritos en las secciones posteriores.

Incluso si todos estos parámetros son tenidos en cuenta, aún quedan algunas cuestiones abiertas que deben ser tenidas en cuenta.

Considere, por ejemplo, alguien que utiliza imágenes infrarrojas para el mantenimiento predictivo y que está haciendo una inspección de componentes eléctricos.

Supongamos que la imagen infrarroja muestra un componente con una temperatura elevada.

El problema fundamental es el criterio de evaluación para el análisis de las imágenes infrarrojas. ¿Cuánta temperatura puede soportar el componente en condiciones normales? ¿Cuál es el criterio para un remplazo inmediato, o por cuánto tiempo se puede esperar antes de la sustitución?

Estas preguntas suponen una gran cantidad de dinero si el componente está implicado en la alimentación de un complejo industrial, y su destrucción puede conducir a un cierre de una instalación durante un largo período de tiempo.

Cámara

Alrededores

VentanaAtmósfera

Objeto

Figura 1.2 ������������ ������ � �� ����� �� ����� �� �� ����� �� ������ � �������� externas.

9 1.1 Introducción

Obviamente, la compra de una cámara y la adquisición de imágenes infrarrojas a veces sólo traslada el problema de no conocer el problema en absoluto al de la comprensión de la tecnología de infrarrojos y la interpretación de las imágenes.

Este libro aborda el segundo problema. En este sentido, se dirige a por lo menos tres diferentes grupos de personas que pueden beneficiarse del mismo.

En primer lugar, se ocupa de los recién llegados, interesados en la pura práctica, dando una introducción al tema general de la imagen de infrarrojos, al analizar la física fundamental subyacente, y mediante la presentación de numerosos ejemplos de la técnica, así como de su aplicación en la industria.

Tabla 1.1 ���������� � ������� �� ������ ������� �� ��� �������� ����������� �� ��� modernas cámaras IR

Emisividad del objetoDistancia de la cámara al objeto

(normalmente en m, en los Estados Unidos posiblemente en ft)

Tamaño del objetoHumedad relativaTemperatura ambiente

(normalmente en C, o K, en Estados Unidos, posiblemente, F)

Temperatura atmosféricaTemperatura de la óptica externaTransmisión de la óptica externa

⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭

Parámetros que afectan las imágenes IR generadas de los datos brutos del detector dentro de la cámara y que normalmente deben ser ajustados en el software de la cámara.Pueden ser cambiados a menudo al analizar las imágenes (después de registrarlas) si se utiliza el software propio (esto puede no ser posible en los modelos muy baratos)

Campo de temperaturas �TRango de temperatura + NivelPaleta de colores

⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭

Parámetros que afectan cómo los datos son representados en una imagen. Si se escogen de forma inadecuada, pueden perderse detalles importantes.

Dependencia de la emisividad con la longitud de onda (rango de longitud de onda de la cámara)

Dependencia angular de la emisividad (ángulo de observación)

Dependencia de la emisividad con la temperatura

Propiedades ópticas del material entre la cámara y el objeto

Uso de filtros (de alta temperatura, de banda estrecha, etc.)

Reflexiones térmicasVelocidad del vientoCarga solarEfectos de sombra de objetos cercanosHumedadPropiedades térmicas de los objetos, por

ejemplo constantes de tiempo

⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭

Algunos parámetros que tienen una fuerte influencia en el análisis cuantitativo e interpretación de las imágenes IR

10 1. Fundamentos de la termografía infrarroja

En segundo lugar, se dirige a los educadores de todos los niveles que deseen incluir imágenes de infrarrojos en su currículo con el fin de ayudar a la comprensión de la física y de temas científicos.

En tercer lugar, se dirige a todos los profesionales que poseen cámaras de infrarrojos y que quieran usarla como una herramienta cuantitativa o cualitativa en su empresa. El texto complementa cualquier tipo de capacitación /certificación que ofrecen casi todos los fabricantes de cámaras de este tipo.

Es la sincera esperanza de los autores que este texto ayude a reducir el número de imágenes infrarrojas muy mal interpretadas de edificios y de otros objetos que salen a menudo en los periódicos.

En un ejemplo típico, una pared (probablemente al sur) de una casa iluminada por el sol durante varias horas antes de que se tomara la imagen IR, muestra más calientes las ventanas y otras paredes de la casa.

La interpretación de que la pared estaba obviamente muy mal aislada, sin embargo, es una pura tontería (véase el capítulo 6).

Además, esperamos que en el futuro, los especialistas capacitados ya no llamen a su fabricante para preguntar, por ejemplo, por qué no son capaces de ver los peces en su acuario o en un estanque.

No habrá más quejas sobre el mal funcionamiento del sistema debido a que la cámara de infrarrojos mide una temperatura de la piel muy por encima de 45 °C. O, para dar un último ejemplo, la gente ya no preguntará si también son capaces de medir la temperatura de los gases nobles calientes o el oxígeno utilizando una imagen infrarroja.

A continuación tratamos de contestar a la pregunta de por qué escribir un nuevo libro sobre termografía infrarroja. Por supuesto, hay artículos de varios temas relacionados en diversos manuales [1-6], hay un número de libros disponibles sobre ciertos aspectos como los principios de la termometría de la radiación [7-9], detectores y sistemas de detección y su análisis [10-16], propiedades IR de los materiales [17, 18], fundamentos de transferencia de calor [19, 20], visión general del espectro electromagnético (EM) y del espectro radioeléctrico en las regiones del IR [21], y hay, finalmente, también algunos libros concisos sobre aplicaciones prácticas [22-24].

Sin embargo, no sólo las tecnologías de detección, sino también la gama de aplicaciones se ha incrementado enormemente durante la última década. Por lo tanto parecía necesaria una puesta al día revisando la tecnología, así como las aplicaciones.

En este texto, se utiliza el sistema internacional de unidades. Aunque las temperaturas se deben dar en grados Kelvin, los fabricantes de cámaras de infrarrojos en su mayoría utilizan la escala Celsius para sus imágenes. Para los clientes de América del Norte, existe la opción de presentar las temperaturas en la escala Fahrenheit. El cuadro 1.2 muestra un breve resumen de cómo cambiar las unidades.

11 1.2 Radiación Infrarroja

Tabla 1.2 Relación entre las tres escalas comunes utilizadas en termografía.

T (K) T (°C) T (°F)

0 (cero absoluto) −273.15 −459.67

273.15 0 32

373.15 100 212

1273.15 1000 1832

�T(K)=�T(°C); �T(°C)=(5/9) × �T(°F);

T(K)= T(°C) + 273.15; T(°C)=(5/9) × T(°F) – 32;

T(°F)= (9/5) × T(°C) + 32

1.2 Radiación Infrarroja

1.2.1 Las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético

En física, la luz visible, la radiación ultravioleta, la radiación infrarroja, y otras pueden ser descrita como ondas –para ser más específico, como ondas electromagnéticas (EM) (para algunas propiedades de la radiación de infrarrojos, por ejemplo, en los detectores, puede ser más adecuada la interpretación como partícula, pero para la mayoría de las aplicaciones, la descripción de onda es más útil).

Las ondas son perturbaciones periódicas (piénsese, por ejemplo, en los desplazamientos verticales de la superficie del agua después arrojar una piedra en un charco o lago), que mantienen su forma mientras avanzan en el espacio como una función del tiempo.

La periodicidad espacial se llama longitud de onda, � (en metros, micrómetros, nanómetros, etc.), la periodicidad temporal se llama periodo de oscilación, T (en segundos), y su recíproco es la frecuencia, �=1/T (en s–1 o hercios). Ambos están conectadas a través de la velocidad de propagación de la onda c por la ecuación (1.1)

c=� · � (1.1)

La velocidad de propagación de las ondas depende del tipo específico de onda. El sonido, que sólo existe si hay un medio material, tiene una velocidad típica de alrededor de 340 ms–1 en el aire (piense en la regla familiar rayo/trueno: si oyes el trueno 3 s después de ver el relámpago, este ha golpeado a una distancia de aproximadamente de 1 km).

En los líquidos, esta velocidad es típicamente al menos 3 veces mayor y en los sólidos, la velocidad del sonido puede llegar a aproximadamente 5 km s–1.

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